仿真分析与“三电”课程教学融合的教学方法

赵 虎， 杨 艺， 丁黎明， 黄现莲， 张 伶， 石万里

(北方民族大学 电气信息工程学院， 宁夏 银川 750021)

仿真分析与“三电”课程教学融合的教学方法

赵 虎， 杨 艺， 丁黎明， 黄现莲， 张 伶， 石万里

(北方民族大学 电气信息工程学院， 宁夏 银川 750021)

提出了将Multisim仿真分析引入“三电”理论教学中的“仿真分析—理论解释—实例应用”的教学方法。该教学方法有利于学生对理论内容的理解和认识，使学生带着问题学习理论知识，激发了他们的学习兴趣，同时，也激发了他们通过实验验证理论内容的求知欲。该教学方法在实践中应用取得了较好效果，为学生更好地掌握“三电”课程的理论奠定了基础。

三电课程； Multisim仿真分析； 教学方法

“三电”课程是指“电路原理”“模拟电子技术”和“数字电子技术”3门课程。“三电”课程不仅是电类专业的公共基础课，而且是化工过程控制、医学影像、材料工程等非电类专业的技术基础课[1]，也是工科院系的平台课程。“三电”课程的教学质量和教学效果直接影响到学生的后续专业课程学习。因此，在有限的课堂教学时间内，尽可能多地让学生掌握专业知识、启发他们的思维，是“三电”课程教学改革的重要内容。

目前，最好用、最适用于“三电”课程的仿真软件当属Multisim。Multisim软件中有大量的元器件库和虚拟仪器，还有各种分析工具和分析方法，如交流分析、瞬态分析和频率分析等[2]。Multisim为“三电”课程的教学和实验提供了广阔的空间。充分发挥该软件在教学和实验中的优势，将其融入日常的“三电”理论教学当中，也是将EDA(electronic design automation)技术引入课堂教学的有益尝试。

1 “三电”教学中的问题

很多学校的“三电”课程课堂教学仍然采用理论讲解—公式推导—例题分析的模式，课堂教学主要以理论讲授为主，理论计算较多。当教学内容涉及微分方程和放大电路的分析时，理论讲授就显得较为复杂和繁冗，学生缺少主动的思考，教学效果不尽如人意。

学生在“三电”课程学习过程中存在以下问题。

(1) 学习兴趣不浓。对于理论分析和公式推导有一种厌烦心理，学习效果不理想。

(2) 只会解题，不会应用。例如对于一个典型电路，只会用固定的模式计算相关参数，而对电路的应用却不十分清楚，也就是没有做到“学而思”。

(3) 对实验课内容缺少思考，表现在对仪器的使用、实验目的和实验内容不清楚，往往在一节实验课结束后，感觉并没有掌握多少新知识，动手能力也没有提高多少。

基于“三电”课程教学和实验教学中存在的问题，我们申请了宁夏回族自治区高等教育本科教学质量工程“电工电子教学团队”立项建设项目，并基于此提出了将仿真分析融入“三电”理论教学的教学方法改革，以期在“三电”课程的教学中实现仿真实践和理论教学相互促进的新的教学模式。

2 仿真分析的教学方法

我国教育工作者在将Multisim软件用于电工电子实验教学方面做了许多十分有意义的探讨和实践，将Multisim应用于数字电路实验中，运用Multisim虚拟仿真技术建设了电工电子实验室，利用Multisim对电子电路综合设计进行了改革，在数字电路教学和电工电子教学中有很多成功的应用[3-5]。

仿真分析的教学方法就是在“三电”理论课程教学中，对于理论计算和推导过程较多的教学内容，先通过Multisim仿真观察和分析电学现象，使学生有一个初步的感性认识，让学生带着“为什么会有这样的现象”的问题进入课程的理论学习。在相关内容的理论分析的过程中，将理论分析的结果和仿真实验的结果进行对比，用科学理论解释在实际仿真中出现的现象，最后将理论内容拓展到实际应用，通过理论和仿真相结合的方法来阐明理论教学内容。

本教学改革针对“三电”课程中理论知识内容较多、计算较为复杂、学生不易接受的问题，将仿真分析的方法引入理论教学，提出仿真分析—理论解释—实例应用的“三电”课程教学方法。

3 仿真分析在“电路原理”理论教学中的应用

戴维南定理是“电路原理”课程中重要的基本定理之一。该定理在纯电阻电路、受控源电路、正弦稳态电路等电路分析中有广泛应用，该定理的使用贯穿电路课程的始终，在电类专业课程的分析中也多次用到[10]。

然而，一些学生对该定理掌握得并不好。因此，在讲授过程中，采用先用Multisim电路仿真进行分析的教学方法。戴维南定理的仿真电路如图1所示。该电路是一个既非串联、也非并联的电路。对于图1所示电路，取支路电阻R6上的电流i6，用基尔霍夫电流和电压定律以及网孔法、节点法，就显得十分复杂，计算量也很大。

图1 戴维南定理仿真电路

用仿真的办法，先测得该支路电流i6=-0.958 mA后，再将电压源V1置“0”(短路)，测得等效电阻Req=440.297 Ω，将R6去除测得开路电压Uoc=-1.379 V，这时可以画出图2所示的等效电路。再次测量支路R6上的电流，仍然是i6= -0.958 mA。

图2 戴维南定理仿真电路的等效电路

通过上述的仿真分析，学生可以看到图1虚线框中的电路和图2虚线框中的电路是等效的，即一个较复杂的电路可以等效为一个电压源和一个电阻的组合，并且这一等效电路对同一个负载R6，其支路电流是不变的。

当学生有了感性认识后，对于戴维南定理——“任何一个线性含源二端网络，总可以等效为一个电压源和一个电阻的串联”，学生就更容易理解。运用这种教学方式引入一个新的教学内容，学生不会觉得十分突兀，并且会对仿真分析的内容十分感兴趣。通过对一个实例的分析说明一个定理的内容，学生会带着“为什么会这样”的问题深入学习下去，对于定理的认知程度明显加深。对于复杂电路中无需分析的电路部分，也可以用简单的等效电路替代，只留下需要分析的电路，这样大大简化了电路分析的复杂程度，这也就是戴维南定理的意义和主要应用。

对于电路原理中涉及理论性较强的内容，都可以先进行仿真分析，再讲解理论，最后说明定理和电路的应用。这样，学生会接受得更好，理解得更深刻。

4 仿真分析在“模拟电子技术”理论教学中的应用

“阻容耦合单级放大电路的分析”是模拟电子技术课程中非常重要的内容，只要对单级放大电路的分析掌握透彻了，学习多级放大电路、负反馈放大电路、差分放大电路、功率放大电路就不再困难[11]。因此，如何更好地讲授这部分理论内容，让学生带着问题、有兴趣地探究学习，是模拟电路理论课程教学的关键问题。

首先，在讲授理论知识前，用Multisim软件对阻容耦合单级放大电路进行仿真分析。单级放大电路仿真如图3所示。

图3中信号源输出峰值10 mV、频率1 kHz的正弦波信号，首先用示波器观察输出信号，示波器输出波形如图4所示。

图3 单级放大仿真电路

图4 单级放大电路输入输出信号

从图4中可以明显看出，输入波形和输出波形是反向的，相位差180°，这为后续课程讲解单级放大倍数的负值表示输出信号与输入信号反向，给出了非常形象的解释。从图4中还可看出，输出信号Vo的峰峰值有500 mV，而输入信号Vi峰峰值只有20 mV，说明输出信号确实有放大，也为讲解单级放大电路的放大倍数奠定了基础。

当调节图3中的可变电阻，使R5=20 kΩ(最大值的10%)时，输出波形出现了削底失真，如图5所示。有了这一形象的认识之后，学生对于静态工作点的设置和饱和失真的关系就很容易理解，并且很快能联想到仿真过程看到的现象。这种感性和理性相结合的教学方式，不但使学生容易理解，而且使学生记忆深刻。仿真分析较好地解决了模拟电子技术教学中理论内容不易理解和难于记忆的问题。

图5 单级放大电路削底失真(饱和失真)

当调节可变电阻，使R5=180 kΩ(最大值的90%)时，输出波形出现了削顶失真，如图6所示。同样，学生看到这个仿真结果后，再去理解截止失真与静态工作点的关系时，就会有一种豁然开朗的感觉。这种先仿真观察现象、再进行相关内容的理论教学的方法，提高了课堂教学的效率，也增加了学生的学习兴趣和探究学习的动力。

图6 单级放大电路削顶失真(截止失真)

先仿真和分析现象，再讲授理论，这种教学方法不但有利于学生学习理论内容，而且有利于教师课堂的教学效果。因为教师在理论教学之前已用实例证明了模拟电子电路中的一些问题和现象，因此，学生更易于接受相关理论知识，也更方便教师对于模拟电子电路理论的讲解。

5 仿真分析在“数字电子技术”理论教学中的应用

“数字电子技术”的理论教学要求学生掌握组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析。组合逻辑电路的输出只与输入有关；而时序逻辑电路的输出与电路的上一个状态有关[12]。本文仅以仿真分析在组合逻辑电路理论教学中的应用为例，说明时序逻辑电路的仿真分析在理论教学中的应用是类似的。

组合逻辑电路主要有编码器、译码器、数据选择器、数据比较器和加法器等电路。图7所示为由74LS138组成的数据多路选择器。

图7 74LS138组成的数据多路选择器

组合逻辑电路实现了从8路信号中选出1路信号至输出端，也就是实现了多路数据的选择。当图7中的拨码开关拨至101时，就选择第5路数据输出，输出结果如图8所示。

图8 安捷伦示波器显示数据多路选择器结果

在数字电子技术理论课程的讲述过程中，如果没有先进行仿真分析而直接讲解数据多路选择器，就要从74LS138的逻辑真值表讲述，而且看不到实际的数据选择结果，对于学生来说是从理论到理论的学习过程。但是，在讲解数据选择器之前先进行仿真分析，学生就能够通过示波器真实地看到第5路(D5)输出了1 kHz、5 V的方波信号(见图8)。有了仿真分析结果后，再讲解相关理论知识和电路的实际应用，也显得十分明了。学生从图8的仿真结果可以看到该数据选择电路可以应用在数字程控通信系统中，即数据选择器的实际应用。

先进行仿真分析再讲解理论的授课模式符合人们的认知和学习规律。人们对新事物的认识总是先感性认识、再理性认识，无论人们对自然规律的认识，还是对社会规律的认识，都是先发现问题的表象，再去研究问题的实质。因此，在“三电”理论教学的过程中，采用仿真分析和理论教学相融合，即仿真分析—理论解释—实例应用的教学方法，既有利于学生学习和理解理论知识，又符合学习和认知的规律，还解决了目前“三电”理论课程教学中存在的问题。这种教学方法在我校“三电”理论教学中已经取得了较好的效果，有很好的推广和实际应用价值。

6 结语

Multisim仿真分析和理论教学相结合的教学方法，使学生带着仿真看到的现象和问题进入理论学习，更容易接受理论知识和提高探究学习的兴趣。这种教学方法还会使学生更愿意在实际的仪器和元器件上验证相关理论，并且实验的目的性更明确。这种教学方法，不仅对学生学习理论内容十分有利，而且使得学生在后续的实验课程中更有目的性和针对性。

References)

[1] 李玉东.“三电”基础课实践教学体系的研究与实践[J].实验室研究与探索，2008，27(6):128-130.

[2] 马风格，梁夏，李桂香.Multisim在电子线路实验教学中的应用探索[J].实验技术与管理，2005，22(12):73-75.

[3] 王翠珍，唐金元，纪明霞，等.基于Multisim10.0的非线性电路分析方法仿真研究[J].国外电子测量技术,2015,34(8):66-69.

[4] 王荔芳，余磊，周晓华.放大电路的Multisim 10仿真分析[J].现代电子技术,2011,34(18):172-174.

[5] 任骏原.74LS161异步置零法构成任意进制计数器的Multisim仿真[J].电子设计工程,2011,19(14):135-137.

[6] 于京生，陈永志，康元元.Multisim仿真软件在模拟电子技术实验教学中的应用[J].石家庄学院学报,2011,13(6):46-50.

[7] 李剑清.Multisim在电路实验教学中的应用[J].浙江工业大学学报,2007,35(5):543-546.

[8] 石嘉顺.基于Multisim环境下的电路设计与仿真[J].计算机仿真,2007,24(12):306-308.

[9] 张静，王瑜.基于Multisim12的RC正弦波振荡器的仿真及分析[J].绥化学院学报,2017,37(2):151-154.

[10] 蒲永红,余粟,王维荣.Multisim辅助电工电子实验教学的探讨[J].实验室研究与探索,2013,32(9):174-177.

[11] 马丽梅,黄颖,吴元亮,等.Multisim仿真辅助教学在模电课程中的应用与实践[J].中国电子教育,2015,24(3):41-44.

[12] 钟斌,曾超.Multisim仿真在数电实验教学改革中的应用[J].当代教育理论与实践,2016,31(4):62-65.

Teaching method of integration of simulation analysis with “Three electricity” courses teaching

Zhao Hu, Yang Yi, Ding Liming, Huang Xianlian, Zhang Ling, Shi Wanli

(College of Electrical and Information Engineering， North University for Nationalities, Yinchuan 750021, China)

It is proposed that the teaching method of the Multisim simulation analysis is introduced into the theoretical teaching of “Simulation analysis-theoretical explanation-example application” in the “Three electricity” courses (Circuit Principle, Analog Electronic Technology and Digital Electronic Technology). This teaching method is beneficial to the students’ understanding of the theoretical content, enables them to learn theoretical knowledge with questions, stimulates their interest in learning, and at the same time motivates their desire for knowledge through experiments to verify theoretical content. This teaching method is applied in practice, the good effect is obtained,and the foundation is laid for students to better master the theories of the “Three electricity” courses.

“Three electricity”courses; Multisim simulation analysis; teaching method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.029

TP15

B

1002-4956(2017)11-0121-05

2017-05-20

2014年宁夏回族自治区高等教育本科教学工程立项建设项目(电工电子教学团队)

赵虎(1975—)，男，山东章丘，硕士，副教授，主要研究方向为电工电子教学和激光雷达大气探测.